經濟型三維雕刻機的研究與設計

韓文凱，陳海達，吳志剛，楊 超，張木凱

（哈爾濱理工大學 榮成學院，山東 榮成 264300）

0 引言

隨著雕刻市場需求及數控相關技術的發(fā)展，數控雕刻機產業(yè)獲得前所未有的發(fā)展，在廣告、木材加工、模具加工等領域得到廣泛的應用。但是，現有的雕刻機如美國的“雕霸”、法國的“嘉寶”雖然性能很好，但其昂貴的價格令一些小單位及個人用戶望而卻步。本文介紹的雕刻機是一種經濟型產品，其機械結構簡單、傳動鏈短，采用開環(huán)系統(tǒng)，易于控制和調試。

1 雕刻機總體方案的設計

本設計的目的是為廣大中小客戶及學校提供一種價廉、實用的數控雕刻系統(tǒng)，完成文字、圖案的雕刻以及課堂演示。控制系統(tǒng)采用“PC＋運動控制卡”的模式，即利用CNC USB Controller軟件進行繪圖或讀取其他相關加工圖形信息并進行解釋，調用直線或圓弧插補運算，并將各種插補轉換為一系列的信號，并通過串口傳輸給運動控制卡，然后驅動X，Y，Z方向電機的運動，完成對工件的加工。雕刻機系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 雕刻機系統(tǒng)工作流程圖

2 雕刻機機械結構的設計

為了提高雕刻機的工作范圍以及降低成本，本雕刻機采用剛性較好的移動式龍門結構，主要由工作臺、主軸、龍門架、X軸部件、Y軸部件和Z軸部件等組成，具體結構如圖2所示。

在該機械結構中，工作臺主要用來裝夾工件；X軸部件在步進電機的驅動下，通過絲杠螺母機構帶動龍門架及其上的主軸刀具運動，實現刀具相對工件的X向進給；Y軸部件和Z軸部件分別實現刀具相對于工件的Y向進給和Z向進給。當雕刻機進行加工時，刀具在主軸電機的驅動下做旋轉運動，并通過X軸、Y軸和Z軸部件，實現刀具相對于工件的復雜曲線運動，從而完成對工件輪廓的雕刻加工。

圖2 雕刻機三維結構模型

3 系統(tǒng)的軟件結構

3.1 DXF文件

DXF是AutoCAD圖形文件的ASCII或二進制文件格式，由于其具有較好的兼容性，已經成為一種國際數據接口標準文件，它具有ASCII或二進制兩種文件格式形式。在實際應用過程中，通常情況下所指的DXF文件為ASCII格式文件。

一個DXF文件包含標題段、類段、段塊、表段、對象段和實體段。在設計文件中僅有實體段包含所涉及的幾何信息，所以零件的特征信息從實體段部分提取。

3.2 轉換

簡單實體主要包括點、線、圓、文本等，轉換主要是對實體位置數據的提取和對所提取數據的處理。實體段包含圖形中出現的上述所有的圖形對象，也包括對塊的引用。

如果將DXF文件轉換成數控代碼，只需對圖形文件中圖形實體元素的幾何信息和數據進行提取和處理，并可忽略存放在文件頭段、類段、表段和對象段中的信息。由于幾何圖形元素的圖元信息主要保存在實體段，因此分析實體段才是生成數控代碼的關鍵。實體段的作用是記錄每個幾何元索的名稱、所在圖層名、線型名、顏色號、基面高度、厚度以及有關的幾何數據。圖元實體信息存放著相應圖元實體所必須含有的各種信息。在Visual C＋＋6.0環(huán)境下定義的讀取DXF文件的函數如下：

3.3 G-code在上位機中的翻譯

對于G-code的翻譯即為VC對G-code文件的編譯。VC中的編譯程序要有語法檢測（檢測與規(guī)定的G代碼語法差異）、數據格式轉換（將程序轉為運動坐標信息）、處理變量表達式（支持變量表達式輸入）、控制結構處理、處理固定循環(huán)、處理子程序和宏程序調用等功能。利用PC機龐大的內存空間（外加虛擬內存）足已處理一般情況。DXF轉G-code的具體解釋流程如圖3所示。

4 系統(tǒng)硬件設計

本雕刻機是利用PC機的串口與運動控制板相連，然后分別將信號傳輸給主軸驅動電路和步進電機的驅動電路，實現雕刻機的主運動以及X，Y，Z方向的進給運動。

4.1 運動控制板的搭建

PIC單片機具有運行速度快、工作電壓低、電耗低、輸入輸出驅動能力、價格低、抗干擾性強、體積小等特點，為下位機核心控制器件。下位機系統(tǒng)控制部分主要由單片機最小系統(tǒng)及外圍電路實現，以單片機最小系統(tǒng)作為核心，外加通信模塊、反饋模塊、控制模塊、指示模塊等外圍設備。其中，通信模塊負責與PC部分進行串口通信，反饋模塊負責接收機床部分反饋信號，控制模塊負責控制機床部分，指示模塊負責顯示控制系統(tǒng)目前工作狀態(tài)。運動控制卡電路圖如圖4所示。

圖3 DXF轉G-code流程圖

4.2 驅動電路的構成

本文采用由東芝TB6560芯片構成的高細分驅動器來實現X，Y，Z軸方向上步進電機的驅動。該驅動器具有如下優(yōu)點：①自帶16細分功能，能夠滿足每分鐘從幾到近千轉的應用要求，且電機振動小、噪聲低；②大電流驅動時，芯片的散熱面便于外連散熱器，也可以直接連接在用戶原有控制器金屬殼體上，嵌入式驅動器體積小巧、易于散熱。

TB6560步進電機驅動電路主要包括3部分：控制信號隔離電路、主電路和自動半流電路。因篇幅所限，此處未給出其具體的電路圖。

5 結論

本文設計的經濟型雕刻機屬于典型的機電一體化產品，通過上位機對圖形進行解釋并發(fā)出指令給運動控制卡，實現雕刻機X，Y，Z方向電機的聯動，從而完成對工件的雕刻加工。該雕刻機具有結構簡單、易于控制、調試方便等特點，適合于中小型企業(yè)的雕刻加工以及學校進行相關課堂演示。

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